石济客专桥梁下穿京沪高铁沉降影响分析 孙宗磊.pdf

第2期（总173) 2013年2月 铁通工程学报 Feb 2013 JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY NO. 2( Ser. 173) 文章编号：1006 -2106(2013)02 -0053-05 石济客专桥梁下穿京沪高铁沉降影响分析 孙宗磊李悄” （铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142） 摘要：研究目的：邻近既有铁路桥梁修建新的建筑物由于建筑物的基础对土层应力会产生附加应力不可避 免引起既有铁路桥梁基碣发生变形.

新建石家庄至济南客运专线济南西联络线特大桥下穿京沪高速铁路黄 河南引桥京沪高速铁路采用无轨道为确保列车的运营安全对轨下桥梁结构的沉降要求非常严格需要 对下穿方案引起京沪高速铁路桥梁沉降进行分析.

本文石济客专下穿桥梁桥墩分别按实体缴和框架墩两种 结构方案采用Plaxis三维有限元程序对京沪高速铁路桥梁沉降影响进行分析以确定影响最小的结构方案， 稳定线路走向.

研究结论：分析结果表明：（1）考虑新建桥梁引起的基础附加沉降既有京沪高速铁路桥梁相邻墩最大不 均匀沉降实体墩方案最大3.2mm框架墩4.3mm均在规定的5mm以内，下穿方案可行：（2）实体墩方案影 响最小推荐石济客专桥梁采用实体墩方案：（3）适当延长新建桥梁的桩基础长度，可以进一步降低对既有高 速铁路桥梁沉降的影响：（4）理论计算结果与实际会有一定的差异对于下穿高速铁路的工程，应建立完善的 监测方案和监测方法并制定监测控制指标和预警值确保工程实施中和实施后高速铁路运营的安全.

关键词：高速铁路：沉降影响：数值分析：有限元 中图分类号：U442.5文献标识码：A Analysis of Settlement Influence onBeijing-Shanghai High -speed Railway Caused by Under -passing of Shijiazhuang - Jinan PassengerDedicated Line's Bridge SUN Zong lei LI Qiao ( The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation Tianjin 300142 China) Abstract: Research purposes: As the foundation of the new building near the existing railway bridge will produce additional stress to the soil it is inevitable to cause foundation deformation of the existing railway bridge. The Jinan wesd connecting track bridge of the newly built Shijiazhuang Jinan Passenger Dedicated Line needs to undem pass the Yellow River south approach Bridge of the Beijing Shanghai High speed Railway. As the ballastless track is used for the Beijing Shanghai high speed Railway it requires strict control of the settlement of the bridge substructure to ensure the safety of train running. Therefore it is necessary to study the setlement influence on the Beijing Shanghai High speed Railway caused by under passing of the Shijiazhuang Jinan Passenger Dedicated Line's bridge. The Plaxis 3D fnite element prgram was used to analyze the setlement infuenees on the bridge of the Beijing Shanghai High speed Railway when the solid bridge pier or frame bridge pier of the Shijiazhuang Jinan Passenger Dedicated Line under passes for the purpose of determining the minimum impact on the structure and stabilizing the track alignment. Research conclusions: The analysis results illustrated that on consideration of the additional settlement of foundation **作者简介：孙宗晶1974年出生男真级工程师：李情1982年出生男工程师.

收稿日期：2012-0823 (C)194-2023 China Academic Journal Electronic Publishing House. A11 rights rescrvcd. .cnki.net
54 铁道工程学报 2013年2月 caused by the newly building bridge he maximum unequal setlement of the adjacent solid pier structure of the existing Beijing Shanghai High speed Railway was 3. 2mm and the frame pier structure was 4. 3mm and they were in the regulatory range of 5mm and feasible. It was remended to use the solid pier structure because its additional impact was leser than the others In adition it was proposed that the setlement influence on the existing high speed railway bridge could be further reduced by extending the length of pile foundation of the new bridge properly and it also pointed out there was a variation between theoretical calculation and real data so the perfect monitoring scheme method control value and early warmning value would be established and improved to ensure the safe construction and safe operation of high speed railway. Key words: high speed railway setlement influence; numerical analysis; Plaxis Finite Elementa 1研究背景 线性本构模型：可以考虑土与桩共同作用考虑复杂的 边界条件考虑施工逐级加载.

本文采用三维模型进 随着我国高速铁路的快速建设越来越多的高速 行数值模拟分析计算.

铁路投入运营：高速铁路因舒适快捷已成为人们选 择出行的首要交通工具其安全运行至关重要.

目前 2工程概况 已经开通运营的高速铁路大部分采用了无昨轨道，为 石济客运专线济南西上联特大桥在京沪高速铁路 保证高速铁路运营的安全和旅客乘车的舒适度对下 黄河南引桥特大桥132”-133“墩孔间下穿，二者夹角 部结构的沉降要求非常严格对桥梁下部结构要求工 33°.京沪高速铁路黄河南引桥特大桥为双线，设计速 后总沉降不超过20mm相邻墩台不均匀沉降不超过 度目标值350km/h，采用32m后张法预应力混凝土 5 mm. 简支箱梁无作轨道.

桥墩均采用双线圆端型空心墩， 邻近既有铁路桥梁修建新的建筑物，由于新建建 墩全高均为14.5m基础均采用12根直径1.0m的钻 筑物的基础对周围土层产生附加应力，从而引起邻近 孔灌注桩基础承台尺寸为8.0m×11m×2.0m加台 既有铁路桥梁基础发生沉降变形.

吴波和李兆平等针 尺寸为4.6mx9.0m×1.0m设计桩长40m.

对地铁施工[-)、陈福全和屠毓敏等针对地面堆 本段桥地质差异较小桩底均置于粉质黏土土层 载3-、郑刚等针对基坑开挖对既有桥梁桩基础引 中131°-134墩沉降值分别为11.9mm、11.7mm、 起的沉降和变形进行了分析和探讨，得出了很有意义 10.8mm、10.7mm131-134墩相邻桥墩最大不均 的结论部分研究成果与工程实践息息相关保证了工 匀沉降为0.9mm. 程的安全和可靠，但是目前对下穿高速铁路的新建通 石济客运专线济南西上联特大桥为单线桥设计速 道工程引起的沉降变形分析报道却很少.

度目标值160km/h1°-3墩之间梁跨均采用32m简 随着社会经济的发展将呈现越来越多的新建铁 支梁桥墩采用单线圆端形实体墩激全高分别为3.4m、 路、道路等工程下穿既有高速铁路这些新建工程由于3.4m、4.4m；承台尺寸为5.0m×7.0m×2.0m基 临近高速铁路不可避免引起高速铁路发生沉降.

础均采用5根直径1.0m的钻孔灌注桩，设计桩长分 如何有效地分析附加沉降关系到高速铁路运营的 别为40m、41m、43m.为尽量增加新建基础与既有 安全本文以新建石家庄至济南客运专线济南西联络 高速铁路桥梁基础的距离2桥墩位于高速铁路桥梁 线特大桥下穿京沪高速铁路黄河南引桥引起高速铁路 下方.

桥梁的沉降分析为类似工程提供参考 二者的平面交叉关系如图1所示.

地基变形理论分析方法可以归纳为分层总和法、 济南西上联1号墩基础与京沪高速铁路桥梁基础 基于固结理论的沉降计算法、曲线拟合法、数值计算法最近距离为9.37m济南西上联2墩基础与京沪高速 等四种方法-随着计算机的发展新建结构物对既有铁路桥梁基础的最近距离分别为9.83m、6.67m济 结构的影响分析大都采用了数值计算方法.

数值计算南西上联3号墩基础与京沪高速铁路桥梁基础最近距 方法主要包括有限元法、有限差分法、边界元法等，离为13.63m. 其中以有限元法最具代表性采用有限元法可以估算 石济客运专线济南西上联特大桥2墩采用框架 荷载作用下土中任意一点的应力和应变情况：可以将墩方案框架墩横梁对应的基础间距23m承台尺寸 地基作为二维或三维问题来考虑反映侧向变形的影5.7mx8.3m×2.0m桩基础采用5根1.25m钻孔 响；可以考虑土体应力应变关系的非线性特性采用非桩桩长41m.2墩基础与京沪高速铁路桥梁基础最 (C)1994-2023 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htp:/.cnki.net
第2期 孙宗磊李悄：石济客专桥梁下穿京沪高铁沉降影响分析 55 75m.分析区域计算中采用的坐标系统为：x坐标水 平向右为正Y坐标竖直向上为正Z坐标以垂直XY 高 平面向外为正-采用15节点三角形单元离散整个分 析区域实体墩方案共划分8584个单元25657个节 点；框架墩方案共划分10044个单元32228个节点.

采用摩尔-库仑模型模拟土的本构关系模型上部边 界为自由面左右边界采用水平约束底边界采用固定 约束.

承台采用线弹性模型桩基础采用梁单元模拟.

济南西上联特大桥 有限元模型如图3-图6所示.

图1济西联络线与京沪高铁交叉平面关系图（单位：m） 近距离分别为9.81m、6.64m.二者的平面交叉关系 如图2所示.

京 图3实体缴有限元模型 32 济南西上 联特大桥 图4实体墩桩基空间布置图 图2框架墩方案平面交叉关系图（单位：m） 3计算与分析 3.1三维有限元模型 本节采用岩土有限元程序Plaxis建立三维模型进 行数值模拟分析计算.

建模的基本原则：首先将既有 京沪高速铁路结构物作为基本初始状态，计算土层的 初始应力状态然后在这种状态下建立济南西上联特 图5框架缴有限元模型 大桥的基础模型计算土层的应力及沉降变化情况进 而考查土层变形对京沪高速铁路结构物的影响，联络 3.2土层参数 线2号桥墩采用实体桥墩和框架墩两个方案分别考查 土体采用摩尔-库仑屈服条件为破坏准则的理想 对京沪高速铁路的影响 弹塑性模型土层划分为19层具体参数取自工程勘 有限元模型计算范围：总宽度160m土层总深度 察报告如表1所示.

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56 铁道工程学报 2013年2月 京沪高速铁路131”-134"桥墩对应的详细计算结 果如表2、表3所示.

表2总沉降和不均匀沉降数值（实体墩方案）（单位：mm） 项目 131“墩 132“缴 133"墩 134缴 原工后总沉降 11. 9 11.7 10.8 10.7 新建铁路引起附加沉降 1.1 4 4.21 1.1 工后总沉降 13 15.7 15.01 11.8 与相邻墩最大不均匀沉降 2.7 2.7 3.21 3.21 图6框架墩桩基空间布置图 表3总沉降和不均匀沉降数值（框架墩方案）（单位：mm） 项目 131“墩132缴133墩134“墩 表1土层参数 原工后总沉降 11. 9 11.7 10.8 10.7 新建铁路引起附加沉降 1.19 5 5.32 1.17 土层 土层厚 天然 黏聚力/ 内摩 压缩 客重/ 擦角/ 模量 工后总沉降 13.09 16.7 16. 12 11.87 名称 /m ( kN/m²) kPa /MPa 与相邻缴最大不均匀沉降 3.61 3.61 4.25 4.25 粉土 3.3 20 29 14.5 4.88 从计算结果看新建石济客专济南西上联特大桥 粉质黏土 8.3 20. 1 23 17.8 7.54 对邻近的京沪高速铁路桥梁的沉降产生了影响尤其 中砂 0.8 19 0.1 35 33 是邻近的132”、133"桥墩沉降影响最大-实体墩方案 粉质黏土 1.9 19.7 21 16.1 12.55 粉质黏土 5.8 20 33 16.3 13.29 最大4.2mm框架墩方案最大5.3mm.工后总沉降 粉质黏土 8.4 19.7 43 17.4 12. 11 实体墩方案最大15.7mm框架墩方案16.7mm；与相 粉砂 1.5 19.5 3 34 12 邻墩最大不均匀沉降实体墩方案最大3.2mm框架墩 细圆砾士 1.8 19.5 0.1 40 40 方案最大4.3mm.两个方案京沪高速铁路桥梁桥墩 黏士 2.7 19.6 30 14.2 17.54 总沉降均满足无昨轨道对均匀沉降20mm的限值要 粉质黏土 5.5 19.6 30 14.2 17.54 42 46 求相邻桥墩不均匀沉降也满足无轨道对不均匀沉 相圆砾士 1.8 20.5 0.1 粉质黏士 6.3 19 25 10. 6 24.6 降5mm的限值要求：因此济南西上联特大桥下穿 黏士 4.6 19.8 46 17.4 27.07 京沪高速铁的两个方案对京沪高速铁路桥梁的沉降影 黏士 3.2 19.9 18 7.4 36.3 响在允许范围内无论采用实体墩方案还是采用框架 粉质黏土 5.8 20 23 17.2 40 墩方案下穿高速铁路分析结果表明都具有可实施性.

1.6 19.5 0.1 38 40 实体墩方案相对框架墩方案高速铁路桥梁影响范 粗圆砾士 6.1 20.5 0.1 42 46 国内施工桩基根数少墩身施工工艺简单施工期间对 粉质黏土 3.1 19.2 19 8.2 46 细砂 2.5 20.5 0.1 42 46 既有高速铁路运营期间干扰小.

同时实体墩方案对高 速铁路的不均匀沉降值比框架墩方案影响小对于规 3.3 模拟施工阶段 定的5mm限值富裕量大推荐在设计中采用实体桥 模拟计算分三个阶段分别为：施加土层自重和静 墩方案下穿高速铁路桥梁.

水压力的初始阶段计算土体初始应力状态；京沪高速 3.5基础长度影响分析 铁路桥梁现状阶段保留上一步应力状态位移清零分 为进一步分析新建桥梁基础对既有高速铁路桥梁 析京沪高速铁路施工造成的沉降：济南西上联特大桥运 基础沉降的影响，新建桥梁桩基础分别采用41m、 营阶段保留上一步应力状态，位移清零分析济南西上 44m、47m三种桩长（桩尖高程低于既有京沪高速铁 联特大桥对既有京沪高速铁路桥梁的附加影响.

路桥梁桩基础）建立空间模型考查对相邻高速铁路桥 3.4计算结果 梁基础的附加影响分析结果如表4和图7所示.

通过分析考虑新建济南西上联特大桥引起京沪高 以京沪高速铁路133墩为例不同桩长产生的附 速铁路桥梁131”-134"墩基础沉降实体墩方案总沉降 加影响分别为4.21mm、4.08mm、3.87mm.相对 值分别为13mm、15.7mm、15.01mm、11.8mm最大不 41m桩长沉降分别减少0.13mm、0.34mm沉降影 均匀沉降分别为2.7mm、3.21mm；框架墩方案总沉降 响值减少3.1%8.1%.

通过对比可以看出新建铁路 值分别为 13.09 mm、16. 7 mm、16. 12 mm、11. 87 mm最 基础桩长越长对高速铁路基础的附加沉降影响具有 大不均匀沉降分别为3.61mm、4.25mm. 逐渐变小的趋势但整体减小趋势比较小.

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第2期 孙宗磊李悄：石济客专桥梁下穿京沪高铁沉降影响分析 57 表4不同桩长附加沉降影响对比表 三维数值分析[J].铁道工程学报2005（5）：48-51. 沉降： 桩长m Wu Bo Liu Weining Suo Xiaoming etc. Research on 41 44 47 the Reinforcing Effeet of Adjacent Short Pile Bridge 墩号 Foundation in Metro Station Construction [J]. Journal 131*缴 1.1 1.07 1 of Railway Engineering Society 2005( 5) : 48 51. 132“缴 4 3.77 3.62 [2]李兆平汪挺项彦勇，等.北京地铁工程邻近桥桩施工 133缴 4.21 4.08 3.87 风险评估及控制对策探讨[].岩土力学2008（7)：1837- 134"缴 1.1 1.07 0.99 1841. Li Zhaoping Wang Ting Xiang Yanyong etc. A study 4. 4.0 on Risk Grade Classification Method and Disposal 3.5 Measures for Adjacent Bridge Piles in Beijing Metro Engineering [J]. Rock and Soil Mechanics 2008 ( 7) : 25 1837 1841. 20可 20 ▪ 41; [3]陈福全杨敏，地面堆载作用下邻近桩基性状的数值分 附1.5 44: 47 析[J ] 岩土工程学报 2005( 11) : 1286 - 1290. 1.0 Chen Fuquan Yang Min. Numerical Analysis of Piles 0.5 Influenced by Lateral Soil Movement Due to Surcharge 0.0 Loads [J ].Chinese Journal of Geotechnical 131* 132′ 133* 134* 墩号 Engineering 2005( 11) : 1286 1290. 图7不同桩长附加沉降影响对比 [4]屠毓敏王建江.邻近堆载作用下排桩负摩擦力特性研 究[J]岩土力学2007（12):2652-2656. 4 结论 Tu yumin Wang Jianjiang Study on Negative Friction Characteristic of Row Piles Subjected to Surcharge 通过有限元理论分析对于新建济西联络线特大桥 Nearby [J ]. Rock and Soil Mechanics 2007( 12) : 2652 下穿既有京沪高速铁路桥梁沉降影响得出如下结论： 2656. （1）新建济西联络线特大桥下穿既有京沪高速铁 [5] Ellis E A Springman S M. Full height Piled Bridge Abutments Constructed on Soft Clay [ J ]. 路桥梁由于新建桥梁的基础对周围土层应力产生附 Geotechnique 2001( 1) : 3 14. 加应力从而引起既有铁路桥梁基础发生沉降变形： [6]Springman S M. Lateral Loading on Piles Due to （2）通过对既有高速铁路桥下新建桥梁采用实体 Simulated Embankment Construetion [D ]. Cambridge: 桥墩和框架墩方案进行比选表明采用实体桥墩方案 Cambridge University 1989. 对高速铁路桥梁的影响相对比较小，变形范围满足现 [7] Bransby M F Springman S M. 3 - Dfinite Element 行规范要求新建济西联络线特大桥下穿京沪高速铁 Modeling of Pile Groups Adjacent to Surcharge Loads 路桥梁具有可实施性稳定了联络线走向方案这种分 [8] Pan J L Goh A T C Wong K S etc. Three - 析方法为类似下穿高速铁路工程沉降分析提供了参考： dimensional Analysis of Single Pile Response to Lateral （3）新建桥梁桩基础的不同长度对既有高速铁路 y []s 桥梁产生的附加影响不同桩长变长对高速铁路基础 Geomech 2002( 6) : 747 758. 的附加沉降影响具有逐渐变小的趋势，但整体减小趋 [9]郑刚领志雄，雷华阳，等，基坑开挖对临近桩基影响的 势比较小； 实测及有限元数值模拟分析[J].岩土工程学报，2007 (5) : 638 643. （4）有限元模型中桩土的本构关系，土层的理想 Zhang Gang Yan Zhixiong Lei Huayang etc. Field 弹塑性模型以及土工试验报告与实际情况会存在偏 Observation and Finite Element Numerical Simulation 差计算结果与实际相应产生一定的差异.

因此仅仅 Analysis of Effect on Adjacent Piles Due to Excavation 有理论上的分析是不够的对于新建铁路桥梁下穿高 [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering 2007 速铁路桥梁的工程还应建立完善的监测方案、监测方 ( 5) : 638 643. 法和施工紧急预案并制定监测控制指标和监测预警 [10]孙树礼.高速铁路桥梁设计与实践[M].北京：中国铁道 出版社 2011. 值确保工程实施中和实施后高速铁路运营的安全.

Sun Shuli. Design and Practice of the High speed 参考文献： Railway Bridges [M] Bejing; China Railway Publishing House 2011. [1]吴波刘维宁素晓明，等.地铁施工近邻桥基加固效果 （编辑曹淑荣） (C)1994-2023 China Acadcmic Journal Electronic Publishing House. A1l rights reserved. .cnki.net